膜分离技术在水处理中的应用

膜分离技术在水处理中的应用

摘要：

膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,当溶液或混和气体与膜接触时,在压力下,或电场作用下,或温差作用下,某些物质可以透过膜,而另些物质则被选择性的拦截,从而使溶液中不同组分,或混和气体的不同组分被分离,这种分离是分子级的分离。膜技术在水处理中应用是利用水溶液(原水) 中的水分子具有透过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜，在外力作用下对水溶液(原水) 进行分离，获得纯净的水，从而达到提高水质的目的。本论文介绍了膜分离技术及其特点,对膜分离技术进行了分类, 同时阐述了反渗透、超滤、纳滤、微滤、电渗析这些常规膜分离技术的研究和在水处理技术中的应用情况,提出了膜分离技术研究方向和应用前景。

关键词：膜，膜分离技术，水处理。

一、膜技术的发展

1748 年法国阿贝、诺伦特首次揭示了膜分离技术现象；1863年杜不福特制成第一个膜渗析器，开始膜分离技术新纪元；1950年朱达制成具有实用价值的离子交换膜；1953 年美国里德教授在OWS 开始反渗透的研究；1961 年美国Hevens 公司首先推出管式膜组件制造法；1964 年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；1967年美国杜邦公司研究出尼龙-66中孔纤维膜组件；1968 年美籍华人黎念之研制成具有实用价值的乳化液膜；1970年E.卡斯勃尔研制成含流动载体的液膜，使膜技术提高到创新水平[1]。

在我国，1965年开始反渗透的研究，1975年开始超滤研究，至今已走过40多年历程，与国际基本同步，成为仅次于欧美、日本的膜技术大国，在反渗透、超滤、微滤、纳滤、电渗析、气体分离膜、无机膜、渗透气化等领域都进行了成功的研究并已形成市场化工业体系，生产企业300多家，年工业总产值近30亿元。现由于源水日益匮乏、污染，膜技术逐步进入给水处理中。20世纪80年代中期，美国杜邦集团，法国利昂水务，德利满集团把微滤膜、超滤膜（UF）、纳滤膜(NF) 、高超滤膜(HUF) 、低超滤膜(LUF) 等技术应用到自来水厂处理饮用水；美国1987 年在Key Stone colo建成第一个微滤(MF)水厂。我国宁波、东莞市局部供水系统也使用了膜技术。但从利用膜技术建第一个净化分厂方面来讲，我国的研究、生产与应用已经落后于先进国家。现在膜技术更加成熟，在自来水制造工艺上使用更加广泛，规模更大[2]。

膜分离技术受到世界各技术先进国家的高度重视,近30 年来,美国、加拿大、日本和欧洲技术先进国家,一直把膜技术定位为高新技术,投入大量资金和人力,促进膜技术迅速发展,使用范围日益扩大。膜分离技术的发展和应用,为许多行业,如纯水生产、海水淡化、苦咸水淡化,电子工业、制药和生物工程、环境保护、食品、化工、纺织等工业,高质量地解决了分离、浓缩和纯化的问题,为循环经济、清洁生产提供依托技术。

膜分离技术目前已普遍用于化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工等领域,但其首先的开发研究和应用都是水处理领域,其应用涉及面广且量大,同时具有常规处理方式所不能比拟的优点,所以膜法水处理技术在水工业中已受到特别青睐。

二、膜分离技术的基本原理和特点

1、膜分离技术的基本原理[3]

由于分离膜具有选择透过特性, 所以它可使混合物质有的通过、有的留下。但不同的膜分离过程使物质留下、通过的原理有的类似, 有的完全不一样。总的说来, 分离膜之所以能使混在一起的物质分开, 不外乎两种手段。

(1) 根据混合物物理性质的不同——主要是质量、体积大小和几何形态差异, 用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过程就是根据这一原理将水溶液中孔径大于50 nm的固体杂质去掉的。

(2) 根据混合物的不同化学性质。物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤的速度, 首先是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度(称溶解速度) , 其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。二者之和为总速度。总速度愈大, 透过膜所需的时间愈短; 总速度愈小,透过时间愈久。例如反渗透一般用于水溶液除盐。这是因为反渗透膜是亲水性的高聚物, 水分子很容易进入膜内,在水中的无机盐离子则较难进入, 所以经过反渗透膜的水就被除盐淡化了。

2、膜分离技术的特点[4]

1) 膜分离过程不发生相的变化,与其它方法相比能耗较低,因此又称节能技术。

2) 膜分离过程是在常温下进行的,因而特别适于对热敏感的物质,如对废水中有价值的重金属、化学药品、生产原料等的分离、分级、浓缩与富集过程。而用膜法处理饮用水,其出水水质只取决于膜自身的性质,如膜孔径、膜的选择性等,与原水水质无关。

3) 膜分离技术不仅适用于有机物和无机物、病毒、细菌的广泛分离,而且还适用于许多特殊溶液体系的分离,如溶液中大分子与无机盐的分离,一些共沸物

或近沸点物系的分离等,而后者是常规方法无能为力的。

4) 膜分离是一种物理过滤过程,故不会产生副产物。

5) 膜分离法分离装置简单,操作容易且以控制,便于维修且分离效率高。作为一种新型的水处理方法与常规水处理方法相比,具有占地面积小,处理效率高

等特点。

三、膜分离技术简介

1、膜分离技术的分类

以压力为驱动力的膜分离技术有反渗透、纳滤、超滤和微孔过滤。膜分离性能按截留分子量(MWC) 大小进行评价,具有较小的MWCs 可去除水中较小分子量的物质。RO 的MWCs 为100～200 dalton ,其截留性能最好,能去除水中绝大部分的离子,透过的几乎是溶剂,即纯水。但RO 运行压力高,一般为1. 5 MPa 。纳滤膜的MWCs 为200～2 000 dalton ,介于反渗透和超滤之间。根据NF的MWCs 推测可能有1 nm 左右的微孔结构,故称“纳滤”。NF 是一种荷电膜,其特点具有离子选择性,一价离子可大量透过膜,但对多价离子,如钙镁等,具有很高的截留率。NF 的操作压强在0. 5～1MPa 。UF 孔径范围在0. 001 ～ 0. 1 μm。UF 和MP 运行压强仅为70～200 kPa。

反渗透所分离的溶质, 一般为相对分子量< 500的糖类、盐类等低分子,反渗透分离过程中溶液的渗透压较高,为了克服渗透压,因而采用较高的压强,操作压强一般为2～10 MPa ,水透过率为0. 1～2. 5 m3/ (m2·d) 。

微滤膜所分离的组分直径为0. 03～15μm ,主要去除微粒和细粒物质,所用膜一般为对称膜,操作压强为0. 01 ～0. 2 MPa ,水透过率为10 ～ 20m3/

(m2·d) 。

超滤膜所分离的组分直径为0. 005～10μm ,一般相对分子量> 500 的大分子和胶体。超滤过滤过程中溶液的渗透压很小,因而采用较小的操作压力,一般为0. 1～0. 5 MPa ,所用膜为非对称膜,膜的水透过率为0. 5～5. 0 m3/ (m2·d) 。

纳滤膜存在纳米级的细孔,是超低压反渗透技术的延续和发展。孔径传递性能介于反渗透和超滤膜之间。所分离物质的分子量为200～1 000 。一般操作压强为1 MPa 左右,所用膜为非对称膜。纳滤膜对二价和多价离子以及分子量在200 ～1 000有机物具有较高的去除率。

微滤和超滤可有效地去除水中微生物(如隐孢子虫、贾第虫、细菌和病毒) ,分离溶液中的大分子、胶体、蛋白质、颗粒等。同时,由于更多更好的超滤、微滤膜组件的开发运用,不同于反渗透和纳滤需要昂贵的去除颗粒物的预处理,可以直接处理高悬浮固体浓度的原水,因此,可用UF 和MF 膜技术替代传统处理工艺,更广泛地用于饮用水的处理中。